YKI 3030 Keemia ja materjaliõpetus (1)

Tallinna Tehnikaülikool - Keemia - Keemia ja materjaliõpetus

1 Hindamata

YKI 3030 Keemia ja materjaliõpetus
Dots. Viia Lepane rühmad

Mateeria ja aine mõisted.
Mateeria- kogu meid ümbritseva maailma mitmekesisus oma nähtuste ja asjade koguga. Mateeria peamised avaldumisvormid on aine ja kiirgus.
Aine on mateeria eksisteerimise vorm, mis omab kindlat või püsivat koostist ja iseloomulikke omadusi (vesi, ammoniaak , kuld , hapnik).

Keemilise elemendi mõiste.
Element on kogum ühesuguse tuumalaenguga (prootonite arvuga) aatomeid.
Element on aine, mida ei saa keemiliste meetoditega enam lihtsamateks aineteks jagada. (109 elementi, 83 looduses)

Keemiline ühend.
Keemilised ühendid on keemiliste elementide kogumid, väikseim iseseisev osake on molekul .

Ainete klassifikatsioon , liht ja liitained .
*Anorgaanilised
*Orgaanilised
lihtaine- moodustub ainult ühe ja sama keemilise elemendi aatomitest.
Näiteks: hapnik, raud, elavhõbe , väävel
liitaine - koosneb erinevatest keemilistest elementidest.
Näiteks: vesi, lubi , süsinikdioksiid .
Mõlemad võivad esineda nii tahkes, vedelas kui gaasilises olekus.

Aine olekud (tahke, vedel, gaas )
Tahkes aines on molekulid tihedalt koos ja nende liikumine pole võimalik.
Vedelikus on molekulide vaheline kaugus mõnevõrra suurem ja nad võivad üksteisest mööduda.
Gaaside puhul on molekulide vaheline kaugus suur ja nad võivad täiesti vabalt liikuda . Molekulidevahelised jõud on väikesed.

Aine omadused (füüsikalised, keemilised)
Füüsikalisi omadusi saab mõõta ja jälgida ilma ainet ja tema koostist muutmata (värvus, sulamistemperatuur , keemistemperatuur ja tihedus).
Keemilised omadused, on seotud aine koostise muutusega, keemiliste reaktsioonidega (vesiniku põlemine hapnikus).

Materjalid- definitsioon
Materjal on keemilisest seisukohast mistahes keemiline aine, mille kasutamisel (töötlemisel) ei toimu keemilisi muutusi. Keemiliste omaduste olulisus sõltub vastava aine või materjali kasutamise eesmärgist (viisist) või käitlemise ja hoidmise tingimustest.

Segud , nende klassifikatsioon
Segud -koosnevad 2 või enamast lihtainest või keemilisest ühendist, mis pole keemiliselt üksteisega seotud ja võivad seetõttu esineda segus mistahes vahekorras. Puudub kindel keemiline koostis! Koostisosad on eraldatavad üksteisest füüsikaliste meetodite abil ( magnetväli , aurutamine , difusioon ).
Homogeenne segu- segu, mille koostis on igas ruumipunktis identne
- gaasiline, vedel või tahke lahus; näiteks õhk.
Heterogeenne segu- segu, mille koostis igas ruumipunktis pole ühesugune, koosneb mitmest eristatavast faasist: emulsioonid, kivimid, pulbrid; näiteks graniit
Segud on paljud toiduained, ravimid , taimekaitsepreparaadid, ehitusmaterjalid .

Tahkete materjalide klassifikatsioon
1)metallid
2) keraamika
3) polümeerid
4) komposiidid - 2 või enamat materjali koos
5)kõrgtehnoloogilised materjalid- pooljuhid , biomaterjalid, targad materjalid, nanetehnoloogilised materjalid.

Materjalide struktuur ( mikro -, makro)
Mikrostruktuur on aatomite tasandil struktuur.
Makrostruktuur tähendab mismoodi on seotud suuremad osakesed. Makrostruktuur kihiline - so. halb omadus, sest materjal võib hakata lagunema ja korrodeeruma kihtide vahel.

Materjalide omadused (nimetada 6)
Mehaaniline - deformatsioon koormuste mõjul- jäikus , tugevus jm.
Elektriline- elektrijuhtivus , elektrivälja mõju.
Termiline - soojusmahtuvus ja – juhtivus
Magnetiline- magnetvälja mõju
Optiline- elektromagnetkiirguse või valguse mõju, murdumisnäitaja , peegeldumisvõime .
Keemiline- keemiline koostis.

Metalsete materjalide üldiseloomustus
Koosnevad 1 või mitmest metallist (Fe, Al, Cu, Ti, Au, Ni) ja ka mittemetallist (C, N, O).Iseloomustab aatomite korrapärane paigutus .
Omadused: suhteliselt tihedad , tugevad, jäigad, purunemiskindlad; head elektrijuhid ja soojusjuhid; valgusele läbipaistmatud; poleeritud pind on läikiv; magnetilised omadused (Fe, Co, Ni).

Keraamiliste materjalide üldiseloomustus
Ühendid metalliliste ja mittemetalliliste elementide vahel- tavaliselt oksiidid, nitriidid ja karbiidid *Traditsiooniline keraamika- koosneb savimineraalidest- portselan , tsement , klaas.
*Omadused: Jäigad ja tugevad (sarnane metallidega); Kõvad; Purunevad kergesti (traditsioonilised); Madal elektrijuhtivus ja soojusjuhtivus ; Vastupidavad kõrgetele temperatuuridele ja keskkonnamõjudele (rohkem kui metallid ja polümeerid).
* Optilised omadused: võivad olla läbipaistvad, poolläbipaistvad või ka läbipaistmatud.
* Fe3O4 - magnetilised omadused.

Polümeersete materjalide üldiseloomustus
Plastid ja kummid .
*Orgaanilised ühendid, koosnevad C, H, mittemetallid (O, N, Si).
*Suur molekulaarstruktuur, ahelad , C-skelett(PE, nailon , PVC, PC, PS, silikoonkummi).
*Omadused: Madal tihedus; Mitte nii tugevad ja jäigad kui eelnevad tahked materjalid; Plastilised, kergesti valatavad ja vormitavad; Keemiliselt inertsed , keskkonnamõjudele vastupidavad; Lagunevad ja pehmenevad kõrgematel temperatuuridel ; Madal elektrijuhtivus, Mittemagnetilised.

Nõuded karastusjookide taara materjalidele
1) peab hoidma CO2, mis on rõhu all;
2) olema mitte- toksiline ja mitte reageerima joogiga, soovitavalt taaskasutatav;
3) suhteliselt tugev
4) odav;
5) optiliselt läbipaistev;
6) toodetav erinevates värvitoonides.
16. Komposiitide mõiste, näited
Koosnevad 2 või enamast materjalist ( metall , keraamika, polümeerid). Eesmärk omaduste kombineerimine et saada parim. Suhteliselt tugev ja jäik aga ka painduv , madal tihedus.
Näited: Looduslikud- puit, luud ; Sünteetilised- fiiberklaas (klaaskiud on ümbritsetud polümeerse materjaliga )
17. Kõrgtehnoloogilised materjalid
Elektroonika seadmed , arvutid , fiiberoptilised süsteemid, raketid , lennukid jne.
Pooljuhid- elektrilised omadused vahepealsed elektijuhtide (metallid ja – sulamid ) ja isolaatoritega (keraamika ja polümeerid); elektroonika- ja arvutitööstus.
biomaterjalid- kasutatakse implantaatidena inimkehas, mittetoksilised, ei tekita reaktsioone.
targad materjalid- suutelised tundma ära keskkonnamuutusi ja nendele reageerima ette teadaoleval viisil. Koosnevad sensorist (optilised fiibrid) ja reageerijast, mis muudab kas kuju, asendit, sagedust vm. sõltuvalt temperatuuri, elektrivälja- või magnetvälja tugevuse muutustest.
18. Nanomaterjalid
Võivad olla metallid, keraamika, polümeerid ja komposiidid.
*Ei eristata keemilise koostise järgi vaid suuruse. Struktuurikomponentide suurus on nanomeeter (st 10-9 m) kuni 100 nm (~500 aatomi diameetrit).
Näiteks: süsinikunanotorud; nanokomposiidid tennisepallides, magnetilised nanosuuruses terad kõvaketastes jm.
*Kõrge keemiline reaktsioonivõime - ohtlikkus on uurimata.
19. Kemikaal-definitsioon
Kemikaal- aine mida valmistatakse või kasutatakse keemilistes protsessides;
20. Mineraal ja kivim - definitsioonid
Mineraal- looduslik anorgaaniline aine.
Kivim- on looduslike mineraalide kogum (agregaadid või aglomeraadid, või mõlemad), n. graniit: kvarts , päevakivi, vilgukivi
21. Ainete ja materjalide tähistamine
Nimi
1.1. Nimi ei anna infot ei aine ega materjali päritolu, kasutamise ega omaduste kohta.
Näiteks kõikide elementide nimetused, kriit, malm , lubi, vesi, tsement, põrgukivi jne.
1.2. Nimes sisaldub mingisugune info selle aine kohta.Näiteks lubjakivi , sooraud, tsinkvalge, seebikivi, tšiili salpeeter jt.
1.3. Kaubanduslik (kommerts) nimetus. Reeglina ei sisalda mingisugust infot. Näiteks nailon, amberliit, Dowex jt.
Valem
1. Empiiriline (lihtsaim valem)- näitab aatomite liike. Näiteks vesi jt.
2. Molekulvalem .
Tähtede ja numbrite kombinatsioon.
Saab identifitseerida käsiraamatutest või interneti abiga. Näiteks: terased, alumiiniumi ühendid, toidulisandite värvid E100 -199, askorbiinhape E300, konservandid E200-299.
22. Ainete ohutuskaart
Aine ohutuskaart ( Safety Card) on igal ainel. Ohutuskaardis peavad olema järgmised andmed:
1. Identifitseerimine- nimi, valmistaja nimi jm.;
2. Koostis- keemiline koostis, CAS, EINECS jt. nr.;
3. Ohtlikkus- omaduste kirjeldus jm. vajalik;
4. Füüsikalised ja keemilised omadused.
5. Tegutsemine tulekahju korral;
6. Õnnetuste vältimise abinõud ( kaitsevahendid , seadmed);
7. Käitlemine ja hoiustamine, kusjuures enamuses SC-del puuduvad sellele ainele iseloomulikud keemilised reaktsioonid.
8. Mõju inimesele ja isikukaitsevahendid .
9. Esmaabi viisid kemikaali sissehingamisel , allaneelamisel ja sattumisel nahale
10. Püsivus ja reaktsioonivõime. 11. Terviserisk. 12. Keskkonnarisk. 13. Jäätmekäitluse viis.
14.Veonõuded. 15. Õigusaktid. 16. Muu teave.
23. Gaas ja aur-definitsioonid
GAAS on aine, mis normaaltemperatuuril ja rõhul on täielikult gaasilises olekus.
AUR on selline aine gaasilises olekus, mille keemistemperatuur on kõrgem kui toatemperatuur. Näiteks veeaur
24. Gaaside omadused
Gaaside kõige iseloomulikum omadus on nende kokkusurutavus ja võime paisuda.Gaasidel ei ole kindlat kuju, nad täidavad anuma võttes selle kuju. Gaasi ruumala ühtib anuma ruumalaga, milles ta asub. Ruumala sõltub temperatuurist ja rõhust
25. Gaaside olekuparameetrid
rõhk P
temperatuur T
kogus (aine hulk) n
ruumala V
Rõhk- jõud pinnaühiku kohta (Pa)
1Pa=N/m3 P=F/A
26. Gaaside põhiseadused -
Boyle - Mariotte seadus- Konstantsel temperatuuril on kindla koguse gaasi ruumala pöördvõrdelises sõltuvuses rõhuga. (joon graafikul- isoterm)
Gay-Lussaci seadus- Konstantsel rõhul on kindla koguse gaasi ruumala võrdelises sõltuvuses
temperatuuriga. (jooned graafikul- isobaarid)
Charlesi seadus- Jääval ruumalal on antud gaasi rõhk võrdeline absoluutse temperatuuriga.
p/T = const , kui V = const (p = const T)
Kui gaasi ruumala jääb samaks, siis gaasi temperatuuri suurendamine kaks korda suurendab gaasi rõhku kaks korda. (jooned joonisel- isehoorid)
Daltoni seadus - Gaaside segu (ideaalgaasi) üldrõhk võrdub segu moodustavate gaaside osarõhkude summaga . Osarõhk - rõhk mida avaldaks gaas kui teisi gaase segus poleks.
Üldrõhk Püld = p1 + p2 + ... = Σpi
Osarõhk pi = Püld * Xi
Xi - vastava gaasi moolimurd segus
Moolimurd- ühe komponendi moolide arvu suhe kõikide komponentide moolide arvu
27. Gaaside suhteline ja absoluutne tihedus
Suhteline tihedus- Ühe gaasi massi suhe teise gaasi massi samadel tingimustel (V, P, T); ühikuta suurus,
väljendatakse tavaliselt õhu suhtesvõi vesiniku suhtes
Absoluutne tihedus normaaltingimustel e. 1 liitri gaasi mass normaaltingimustel
(g/dm3)
28. Metaani aururõhu sõltuvus temperatuurist (joonistada graafik ja seletada selle alusel
kriitilise temperatuuri ja -rõhu mõisteid)
Kriitiline temperatuur- so. temperatuur, millest kõrgemal ei saa gaasi veeldada rõhu suurendamisega.
Kriitiline rõhk-rõhk, mille korral gaas on nii vedelas kui gaasilises olekus st. et vedela ja gaasilise oleku vahel on tasakaal.
Seletada joonise alusel need mõisted!
29. Süsinikdioksiidi aururõhu sõltuvus temperatuurist (joonistada graafik ja seletada selle alusel kriitilise temperatuuri ja-rõhu mõisteid)
30. Reaalgaasi definitsioon.
molekulidel on omaruumala ; molekulide vahel on vastasmõjud.
Gaas erineb ideaalsest seda enam, mida madalam on temperatuur ja mida kõrgem on rõhk.
Reaalgaase saab kirjeldada van der Waalsi võrrandi abil:
a-d sisaldav liige kirjeldab molekulide omavahelisi tõmbumisi;
b-d sisaldav liige kirjeldab molekulide omaruumala.
31. Atmosfääri koostis
78% N2; 21% O2; 1% Ar; 0.03% CO2
32. Plahvatavad gaaside segud- tuua näiteid
NH3- õhu segu on plahvatusohtlik.
Propaan- punastes

80% sisust ei kuvatud. Kogu dokumendi sisu näed kui laed faili alla